JP7618629B2

JP7618629B2 - 自動運転車両の経路認識システム

Info

Publication number: JP7618629B2
Application number: JP2022156113A
Authority: JP
Inventors: 健一番場; 啓二青木
Original assignee: Advanced Smart Mobility Co Ltd
Current assignee: Advanced Smart Mobility Co Ltd
Priority date: 2021-10-07
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2025-01-21
Anticipated expiration: 2042-09-29
Also published as: JP2023056490A

Description

本発明は、車両に設けたカメラによって走行経路を辿る自動運転車両の経路認識システムに関する。

ドライバの運転動作は認知・判断・操作を時系列に繰り返し行われる。ドライバの運転行動を解明して自動車の安全性を向上する研究から、人間特性に適合する自動車や制御システムの研究、ドライバが経路のどこを見てどの様に操舵するか、などのドライバの操舵に関する研究がされてきている。

非特許文献１には、「車両の進路方向に一定距離Ｌ前方の注視点における目標コースと予測される車両将来位置との偏差に比例したハンドルを操作する」という前方注視１次予測モデルが提案されている。

非特許文献２には、その第１１章において、自動操向の要点は、希望の進路に対する車の前端および後端の偏差を適当な方法で検出して、両者の和および差に感じる操舵を行わせればよいとの記述がある。

また、非特許文献３には、厳しいカーブ走行の場合、１次予測モデルでは上手くコース追従ができない。そこで、より現実的なモデルとして、「将来の車両位置を現在の運動状態をもとに予測される位置と見做して、目標コースとの偏差に応じて操舵する」と考える２次予測モデルが提案されている。
非特許文献１及び３の前方注視モデルは、車両に搭載したカメラによって走行方向前方を認識し、運転支援、自走運転を行う技術につながる。

特許文献１では、カメラによる認識処理が不可能である条件、例えば逆光、雨上がりなどによって画像が明るすぎるとき、夜間などで画像が暗すぎるとき、薄暮、雪などによって画像が低コントラストであるときなど認識処理が不可能である条件を報知する手段を備えると記載されている。

非特許文献２に示される自動操向の要点は、車線を側方カメラで認識するパスフォローイング制御、更には、路面に磁石を埋設した経路を辿る磁気センサ方式にもつながる。
特許文献２には、車両床下に装備した磁気センサによって、道路に埋設された磁石の位置を検出することによってGPSやIMUなどを用いずとも認識して、直進走行から最小回転半径に至る全ての曲率半径まで磁石軌道から脱線せずに走行することを可能にするとある。

特許文献３には、積載量変化に伴う重心位置変化の検出方法が説明され、車両モデルから自車重心点の横すべり角とヨーレイトを求めて、その座標と方位を算出して、IMU（慣性航法装置）、GPS,磁気マーカによる検出値と整合をとり機能する冗長システムが示されている。

特許文献４は、自動運転車両が車両周囲を認識するため複数のセンサを備え、各々のセンサによる外界認識方法に関して、異なる位置に取り付けられた複数のセンサが認識する周囲認識座標は、車両重心位置に常時置き換えて認識しているとしている。即ち、各センサ座標による検出座標は、車両運動の原点である車両重心を原点とする車両座標上に変換されて捉えるとしている。

特開２０００－２０７５６３号公報特開２０２０－０９８５６６号公報特開２０２１－２５９２５号公報 [特許文献４] 特開２０２２-０３４３３４５

近藤政市：自動車の操舵と運動間に存在する基礎的関係について、自動車技術会論文集No.5(1958),p.40-43. 近藤政市著：基礎自動車工学後期編、株式会社養賢堂、昭和42年4月20日第1版発行、p.21. 吉本堅一：予測を含む操舵モデルによる人間自動車系のシミュレーション、日本機械学会誌第71巻第596号（1968.9）,p.13-18.

自動運転車両には、左右の白線を撮影し道路の白線を認識する白線認識装置が開発されてきている。その白線認識システムは、フロントガラスの内側の車内及び、車体上部からのカメラ撮影により、左右の白線の形状を撮影し走行を行っているが、太陽光や影の影響などにより、自然環境の外乱に晒され白線の認識が出来ない場合が生じる。

非特許文献１～３は、車両に搭載したカメラによって走行方向前方を認識する前方注視モデルに関するものであり、白線などの道路に設けられた指標の認識困難性を解消することについては何ら提案されていない。

特許文献１も前方注視モデルに関するものであり、この先行文献では、薄暮などによって指標の認識が困難な状況になった場合にそれを知らせるだけで、その状況を解消する手段を提唱していない。

特許文献２にあっては、道路に埋設された磁石に、経路の座標、曲率、方位角などの情報をもたせることによって経路追従性能に優れる。しかしながら、磁気センサ方式にあっては白線認識が出来ない条件の解決になる反面、対落雷性の不安、磁気マーカの埋設費などの負担がある。

上記の課題を解消するため本発明に係る自動運転の経路認識システムは、路面に経路線を設け、車体には太陽光や影の影響などの自然環境の外乱に晒されずに前記経路線を視認でき且つ車体の重心位置との相対位置が分かる位置にカメラを取付け、このカメラの位置を参照して経路線と車体重心との横偏差（ｅ2）および経路線に対する車体軸の角度偏差（ｅ3）を検出し、検出した横偏差（ｅ2）と角度偏差（ｅ3）をなくし車体重心が経路線に一致するように操舵制御する。

前記経路線としては、既存の白線の他に、点線や有色線にして、経路線自体に曲率変化情報、道路勾配変化情報、計画車速情報、経路分岐情報、経路合流情報及び経度緯度方位などの情報を持たせることができる。このようにすることで、先読み制御が可能になる。

前記車体の重心位置に関し、空車時重心位置は車検証に記載の前車軸重と後車軸重の比を軸距に乗ずることで算出でき、積車時或いは乗客乗車時の重心位置は、前軸及び後軸のエアサスペンションの空気圧から前車軸重と後車軸重を検出するなどしてその比を軸距に乗じることで計算できるので、カメラ自体の装備位置と重心位置の位置関係は算出できる。その変化する重心位置がカメラの視野に納まることが好ましい。

また、前記経路線を視認でき且つ車両の重心位置との相対位置が分かる取り付け位置としては、例えば車体の床下が考えられる。この位置であれば経路線の認識と経路線と車体重心との横偏差（ｅ2）の検出も正確に行える。但し、石跳、水の侵入などに対する対策は必要になる。

また、カメラを経路線を視認できる位置と重心位置との相対位置が分かる位置の２ヵ所に分けて取付けてもよい。この場合は、２つのカメラの位置関係を、前記横偏差（ｅ2）および角度偏差（ｅ3）を算出する際に補正しておく必要がある。

本発明によれば、カメラを車両前面に加え、床下面で且つ車体重心の変化範囲に取付け、この範囲を車体に設けた照明装置で照らすことで、薄暮や天候悪化などの場合でも、経路線認識することが出来る。そして、経路線に対する車両重心位置での車体の横変位と角度変位を捉えて操舵角を決めて経路を辿る制御ができる。更に、経路線の種類や形状や色を経路の情報に対応付け操舵角をきめることに加えて加減速、停止、待機やUターンなどする運行管理に対応して経路を辿る制御ができる。

床下カメラの視界配置の説明図経路線に対する自己位置偏差及び経路の曲率を検出して経路を辿る説明図経路情報から自己位置を認識して経路を辿る説明図経路情報から分岐合流ほかを検出する説明図

以下、本発明の実施の形態を図１乃至図４に基づいて説明する。
図１は、床下カメラの視界配置の説明図であり、最小回転半径R₀で旋回する車両を示している。車両の重心位置は、積載量或いは乗客数に伴って変化する。その重心が描く重心点軌跡が、カメラ視界に収まる位置（図のカメラ視界（W））にカメラを配置する。尚、カメラの軸はカメラ視界（W）の中心を通る。

尚、重心点軌跡はカメラで視認できるものではなく、カメラ視界（W）に映し出されるのは、経路線である。本実施例では経路線を映すカメラ視界（W）に平面視で車両重心が描く重心点軌跡が収まっている。言い換えれば、車体のｘｙ座標のx軸（車体前後中心軸）とカメラの軸を合わせ且つカメラの前後位置（xy座標のy値）を定め装備しておくことで、カメラの視界（W）に車両重心が描く重心点軌跡が収まる。

重心が描く軌跡は、最小回転半径で旋回するとき後車軸の延長線上の“O点”に中心を持つ円弧になる。この円弧を視界に納めることが出来る長さと巾の視界を備え、直進走行から最小旋回半径までの全域にわたり重心点が描く軌跡を捉えることができる長さ（lsf－lsr）及び巾（B）の視界を確保して、路面に描かれる経路線の曲率変化を捉えることができる様に設定する。

前記の「直進走行から最小半径までの全域にわたり重心点が描く軌跡を捉える」ことは、床下カメラでは可能なるも、「車両前面カメラについては、その車両前面カメラがとらえる視野範囲に入る重心点軌跡に制限される」を良とする。従って、車両前面カメラのみによる自動運転は、その視界に車両重心点軌跡が捉えられる範囲の旋回域に限られる。車両前面カメラ及び床下カメラの視野双方は、車両重心点を原点とするx-y平面座標上で認識することによって一致する。尚、視野画像の原点は、車両重心位置に代わり、車両前後中心線と後車軸中心線との交点としても良い。

図２は、経路線に対する自己位置偏差及び経路の曲率を検出及び経路の曲率を検出して経路を辿る説明図である。経路線を点線で示している。その経路線をP₁点、Pc点、P₂点で捉える。Pc点を捉えるには、重心位置Gcが既知であることが前提になる。重心位置GcとPc点との間隔を横偏差e2と捉え、Pc点の経路接線（法線との直角を成す線）と車両中心線（x軸）と成す角を角度偏差e3と捉える。捉えたe2,e3及び自車前後速度vxから、経路を辿るための前輪実舵角を算出する。

即ち、横偏差e2の微分値e’2を車両前後速度vxで割るとe2によるヨーレイトr_e2、即ち式（１）になる。e3の微分値はe3によるヨーレイトr_e3、即ち式（２）になる。点p1の法線と点p2の法線の交点0₁₂を求めて曲率半径（R_1-＝R₂）を求め、その逆数をとって経路曲率ρ_routeを求め、その経路曲率に経路接線速度（即ち、車両前後速度を角度偏差e3の余弦で除算した値）を乗じると経路ヨーレイトr_route、即ち式（３）になる。かくして、式（１）、式（２）、式（３）の和が車両のヨーレイトr、即ち式（４）になる。

車両のヨーレイトを車速ｖ（即ちv_x/cos e₂）で割ると車両の旋回曲率ρ、即ち式（５）になり、この経路に車両の重心点を一致させて経路を辿るための前輪実舵角δは式
（６）になる。

図３は、経路線情報から自己位置認識して経路を辿る説明図である。起点（出発点）に座標の原点（地球座標）を置き、そこから破線の長さと破線間隔の座標ｘ及び座標ｙを積み上げて（積分して）、式（7）（8）により現在地の座標（x_n,y_n）及び式（9）により方位角（Φ_ｎ）が計算できる。各破線一つ一つに、そのID番号と対応付けて、緯度・経度・方位角の地図データ他の情報を対応付けて、Table lookup制御する。

今、経路上のｐn(xn,yn)点及びその接線に対する車両の横偏差がe2、角度偏差がe3である。車両重心点のｘ座標は式（１０）、ｙ座標は式（１１）になる。車両重心点座標（ｘGC,yGC）から経路上の合流点pmに至る直線距離ｌ_GCｍ及び経路円弧角φ_GCｍは、式（１２）及び式（１３）になる。尚、式（１３）に含まれる横すべり角βは式（１４）になる。かくして、重心点から合流点に至る経路曲率ρ_GCｍは式（１５）になり、その経路曲率を辿って、重心点から合流点に至るための前輪実舵角δは式（１６）になる。式（１６）のｌは車両のホィールベースであり経路曲率ρ_GCｍとの積は低速時実舵角に相当し、カッコ内の（１＋K_SFv^2）は実舵角の速度依存性を示す。合流点の位置は、高速かつ小曲率ほど遠方に、低速かつ大曲率ほど近傍に置かれる。ここに、式（１４）に含まれる横すべり係数β、式（１６）に含まれるスタビリティファクタK_SFは、式（１７）式（１８）である。式（１７）に含まれるｌfは車両重心点から前軸までの距離、Ccrは後輪のタイヤコーナリング係数、Nｒは後軸荷重、ｌｒは車両重心から後軸までの距離、ｍは車両質量である。式（１８）に含まれるCcfは前輪のタイヤコーナリング係数、Nfは前軸荷重である。

図４は、経路情報から分岐合流ほかを検出する説明図である。本発明にあっては、経路線を実線又は点線、白線又は有色線にして、経路中央に敷設し、曲率変化情報、道路勾配変化情報、計画車速情報、経路分岐情報、経路合流情報の先取り伝達を可能にしている。

図４（Ａ）は、単線区間における巡行から待機所区間における分岐と合流を線の種類と線の色で識別する例である。単線区間は、白線の破線で描き、そこを上り、下りの車両が行き来し、すれ違いの必要のため、待機区間を設けて、上り下り通過線は白色の破線、上り待機線は白色実線、下り待機線は有色（例えば青色）実線にして、分岐と合流を判断する制御を確実にする。

図４（Ｂ）は、直線及び小曲率曲線路から大曲率曲線路への侵入脱出を線の種類で識別する例である。直線及び小曲率曲線では白色の点線にして、前記の分岐と合流の要件を満たし、進路制御が相対的に厳しい大曲率曲線経路は、有色（例えば青色）の実線とする。

前述の様にして、路面に描かれた破線経路を、車両前面に加え床下に照明と共に装備されたカメラで捉えて経路を辿る。カメラで捉える現在地・現時点での、経路線に対する自車の横変差、角度変差、経路曲率に加えて、経路線の種類（実線、破線）、経路線の色（白、青）によって経路情報を表現して、行く先の経路情報を先取りして備える制御を可能にする。

経路を計画車速且つ適正な加減速度及び適正な横加速度で運行するために、経路の登降坂勾配の変化に備えた駆動系制動系の制御（駆動ギヤ選択、アクセル開度、エンジンブレーキ、補助ブレーキ、車輪ブレーキの制御）を行い、経路の曲率変化に備えた駆動・制動・操舵系の制御を行う。

経路には、バス停への侵入・停止・発進のための減速・操舵・停止・発進・操舵・加速の分岐停止と乗降と発進合流、単線区間での巡行と単線待機所での分流待機合流がある。

図４（A）も（B）も主経路は点線で表現して、その点線を数えて、その順位によって、起点からの距離、勾配、曲率、指示速度の経路情報と対応付けを行う。分岐は、白の実線と有色の実線で行う。また、曲率が大きい区間は実線を用いてカメラによる横偏差e2、角度偏差e3、及び曲率の検出精度をより向上させる。破線を数えることに代えて、車輪パルスを数えることでも良い。その破線は実線であっても良い。

以上、カメラを前面に加え床下に装備して、路面に塗布された有色の経路線を辿る方式にして、自然環境の外乱に晒され白線認識が出来なくなることのカメラ方式の課題を解決する。

カメラは、自車の最小回転半径から直進までの曲率を有する経路線をその視野に納める場所に装備されて、自車の重心位置と経路線との横偏差e2、角度偏差e3、及び、経路線曲率を検出してフィードバック制御を行うと共に、経路線から、距離、勾配、曲率、計画速度、分岐位置、合流位置及び緯度経度方位などの経路情報を取得してフィードフォワード制御を行う。かくして、視覚装置を備えて道路に敷設された走行経路を辿る自動運転車両の経路認識システムとして機能する。
車両前面カメラによる経路認識システムとして機能する場合、或いは、車両前面カメラと車両床下カメラによる並列冗長システムとしての機能の場合に対応する。

Claims

路面に設けられた経路線を辿って走行する自動運転の経路認識システムにおいて、太陽光や影の影響などの自然環境の外乱に晒されずに前記経路線を視認でき且つ車両の重心位置との相対位置が分かり且つ車両重心が描く重心点軌跡を平面視で可視範囲に収めることができる車体の床下にカメラが取付けられ、このカメラの位置を参照して経路線と車体重心との横偏差（ｅ2）および経路線に対する車体軸の角度偏差（ｅ3）を検出し、検出した横偏差（ｅ2）と角度偏差（ｅ3）をなくし車体重心が経路線に一致するように操舵制御することを特徴とする自動運転の経路認識システム。
請求項１に記載の自動運転の経路認識システムにおいて、前記経路線に対する車体重心の横偏差（ｅ2）及び車体軸の角度偏差（ｅ3）を式（４）に代入して自車の偏揺角速度（ヨーレイト）を算出し、この偏揺角速度（ヨーレイト）を式（５）に代入して自車の旋回曲率を算出し、これら偏揺角速度（ヨーレイト）及び旋回曲率を式（６）に代入して前輪操舵角を算出することを特徴とする自動運転の経路認識システム。
請求項１に記載の自動運転の経路認識システムにおいて、前記経路線の座標及び方位に対する車体重心の横偏差（e2）及び車体軸の角度偏差（e3）を式（１０）式（１１）に代入して、自車の重心位置（重心点）座標を算出して、その重心点座標から経路合流点座標までの直線距離を式（１２）、経路円弧角を式（１３）、（１４）、（１７）、（１８）、経路曲率を式（１５）により算出して、経路合流点に至る前輪実舵角を式（１６）により算出することを特徴とする自動運転の経路認識システム。
請求項１に記載の自動運転の経路認識システムにおいて、前記路面に設けられた経路線は経路情報ごとに色と形状を異ならせていることを特徴とする自動運転の経路認識システム。
請求項１に記載の自動運転の経路認識システムにおいて、前記経路線を点線又は有色線にして、曲率変化情報、道路勾配変化情報、計画車速情報、経路分岐情報、経路合流情報及び経度緯度方位の先取り伝達を可能にして、先読み制御を可能にすることを特徴とする自動運転の経路認識システム。
請求項１に記載の自動運転の経路認識システムにおいて、前記カメラは、最小回転半径で旋回するとき後車軸の延長線上に中心を持つ車体重心が描く円弧軌跡を収めることができる長さと巾の視界を備えることを特徴とする自動運転車両の経路認識システム。